《Science》子刊：厲害！直接書寫自定義彩色結構

來源：材料科學與工程

膠體晶體和玻璃已經可以設計成具有可調、彩虹色、不褪色且無毒的結構色。然而，印刷適印性低和印刷質量差，限制了它們的使用。在此，來自韓國的SHIN-HYUNKIM等研究者報道了利用膠體油墨直接書寫高亮度和高飽和度的結構彩色圖形。相關論文以題為“Direct writing of customized structural-color graphics with colloidal photonic inks”發(fā)表在Science Advances上。

大自然創(chuàng)造了周期性的納米結構來發(fā)展結構色，這些顏色可以增強或減少動物的可見性，以進行交配競爭或偽裝。一些生長在光照不足環(huán)境中的植物，利用納米結構來提高它們的光合效率。受自然的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了人工周期性納米結構，提供可調諧的、彩虹色的、不褪色的且無毒的顏色。膠體組件的制備是制備光子納米結構最經濟、最簡便的方法之一。長程有序的膠體晶體具有較強的彩虹色彩，而短程有序的膠體玻璃具有較淺的顏色，角度依賴性較低。使用膠體陣列進行實際著色，需要膠體陣列的模式與控制的安排和高機械穩(wěn)定性具有可靠和可復制的方式。結構色印刷，可根據設計、顏色組合和目標承印物類型定制，尤其吸引人。

雖然人們已經提出了各種不同的膠體組件結構色圖案的策略，但很少有同時滿足商業(yè)應用的要求。蒸發(fā)誘導自組裝，已用于局部沉積的膠體懸浮液，但其通量低，機械穩(wěn)定性差。雖然各種自上而下的光刻技術，也被用于制備自下而上的膠體組件的微圖案，但當用于多色圖案時，這些技術通常涉及精細和耗時的多步驟過程。噴墨打印是一種最有前途的可定制模式的方法；然而，大面積的空隙和球形的膠體組裝限制了顏色的亮度。因此，如何通過簡單易行的工藝，在高通量下生產具有高光學性能和足夠機械穩(wěn)定性的結構色圖案，仍然是一個長期的挑戰(zhàn)。

在此，研究者報告了直接書寫的膠體光子墨水的可定制結構色印刷。為了避免耗時的蒸發(fā)過程，在沒有揮發(fā)組分的情況下，使粒子具有排斥的粒子間勢，從而導致粒子的自發(fā)有序。通過在光固化樹脂中分散二氧化硅顆粒，使其體積分數適于宏觀打印和微觀膠體結構，從而優(yōu)化油墨的配制，同時可提供明顯的著色和滿意的印刷流變性。有了這種墨水，任何線條和表面的宏觀設計，都可以直接寫在各種基底上，其中的微觀膠體排列被設置為結晶或無定形，這取決于樹脂的粘度來控制顏色的虹彩。此外，高力學穩(wěn)定性和控制模數使圖形能夠表面轉移，折紙折疊，或彈性拉伸。這種直接書寫方法，為結構色彩的實用性使用提供了前所未有的可控性和通用性。

圖1 結構上彩色線條的直接書寫。

圖2 控制線的尺寸。

圖3 結構色表面的直接書寫。

圖4 多色圖案。

圖5 具有受控屬性的多色圖案。

綜上所述，研究者演示了使用粘彈性光子墨水直接書寫結構色圖形。該油墨的最佳配方，以同時實現高可印刷性所需的宏觀流變性和結構著色所需的微觀膠體排列。膠體排列受油墨介質的粘度控制，可以是彩虹色的晶體結構，也可以是彩虹色較少的玻璃結構。直接書寫提供結構彩色線條，寬度控制在180至800 μm范圍內，在不影響打印質量的情況下，打印速度可提高至15 mm s−1。融合后的面具有可控的晶體取向和較高的平整度，絕對反射率高于80%。因為高粘度妨礙了兩種不同油墨的混合，所以多色圖形印刷采用單步光固化。此外，圖形可以直接打印在各種目標表面，包括眼鏡、塑料、金屬、紙張和織物，或轉移到任何目標表面。

這種實用的直接書寫方法，提供了前所未有的可控性和通用性，作為設計結構色彩圖形的實用手段。該光子墨水可以進一步設計成具有各種刺激響應性。織物上的可調顏色圖形，可以用作類似變色龍皮膚的可穿戴顯示器。刺激響應貼片，可用作人類日常生活和工業(yè)中溫度、濕度、pH值和特定分子的直觀比色指標。（文：水生）


論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj8780